金属切削加工表面层的残余应力及其处理方法

金属切削加工表面层的残余应力及其处理

方法

金属切削加工表面层的残余应力

加工金属表面残余应力的大小、方向及分布情况就是表面完整性的重要评价指标之一，除此之外，表面完整性的评价指标还有表面形貌（包括表面粗糙度、表面波纹度和纹理）、表面缺陷（包括宏观裂纹、伤痕、腐蚀）、微观组织（包括微观裂纹、晶粒大小、晶间腐蚀）和表层其他工程技术特性。在这里我简单谈谈金属切削加工中表面残余应力产生及其类型。

机械加工过程是一个复杂的过程，受众多因素的影响（以铣削加工为例见下图）因此产生复杂的应力变化，造成工件的质量不可保证，甚至变形。

机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面及其与基体材料的交界处就会产生相互平衡的弹性应力，这种应力即是表面层的残余应力。它的产生主要有三种原因：

◇冷态塑性变形

◇热态塑性变形

◇局部金相组织变化

实际切削加工后表面层的残余应力是上述三方面原因的综合结果。冷态塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余压应力；当热塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余拉应力。

2.其处理方法

机加工中工件表面残余应力的产生主要受三个因素的制约：机械力引起的塑性变形、热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化。在机械应力的作用下表面层发生塑性流动和延展现象，而里层金属的弹性恢复变形受到已塑性变形表面金属的牵制，表面产生残余压应力。磨削中产生的工件表面的高温，使表面层进入完全塑性状态，工件冷却后表面层金属收缩受到里层金属的牵制，使表面产生残余拉应力。当砂轮与工件接触区温度达到金属相变温度后，表面组织发生金相

组织变化，其表面残余应力的性质，随磨削前后金相组织的变化而变化。已加工表面内残余应力的产生是综合以上几个因素共同作用的结果。

在一般磨削过程中，比压和摩擦较大，产生的磨削区温度较高。工件表面常常因热塑性变形而产生残余拉应力。对此，有针对性地降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形，就能抑制残余拉应力的产生，甚至会产生残余压应力。强制冷却磨削(简称强冷磨削)正是在此理论基础上提出的。

针对磨削过程中磨削表面温度较高的情况，使用液氮对加工区域喷注，进行强制冷却。液态氮的温度为-196℃，是化工产业的副产品，无毒、无污染，易获取，是很好的冷却介质。将其喷注在待加工表面，通过氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使工件表面温度急剧下降，工件表面遇冷而收缩，工件材料脆性增加，塑性变形减轻。磨削时，表面受到磨粒的切削、熨压、热应力以及强冷收缩的综合作用，里层金属因受挤压而产生弹性变形。磨削后，工件表层因温升使体积膨胀但受里层金属弹性牵制，从而产生残余压应力，通过对比实验发现：如常规磨削后工件表面为拉应力，在强冷磨削条件下，工件表面因强冷作用，已预先收缩，强冷磨削后，则工件表面收缩比常规磨削时的收缩量小，但里层金属仍然产生弹性恢复，因而磨削后工件表面的拉应力减小或出现压应力；如常规磨削后工件表面为压应力，改用强冷磨削后，工件表面因强冷作用，已预先收缩，则解除强冷作用后，工件表现的扩张比常规磨削时的扩张量大，因而磨削后工件表面出现更大的压应力。因此磨削中连续向工件待加工表面区喷注液氮，可抑制磨削热的产生，以期获得表面残余压应力。